基于STEAM理念的物理家庭創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的研究

【摘要】開展基于STEAM理念的初中物理家庭創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，可以培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和自主學(xué)習(xí)能力，在一定程度上擺脫課堂實(shí)驗(yàn)的局限性，為學(xué)生理解并創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)奠定基礎(chǔ)。遵循實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)原理，從生活化的角度開展和應(yīng)用實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，對(duì)于學(xué)生認(rèn)識(shí)自然、理解科學(xué)有積極的促進(jìn)作用。

【關(guān)鍵詞】初中物理；物理家庭創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)；STEAM理念

作者簡(jiǎn)介：吳曉勛（1981—），女，江蘇省南通市通州區(qū)育才中學(xué)。

STEAM是科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)和數(shù)學(xué)的英文單詞首字母的縮寫。在初中物理教學(xué)中運(yùn)用STEAM理念，旨在打破物理學(xué)科壁壘，讓學(xué)生對(duì)學(xué)科進(jìn)行綜合學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生的邏輯推理能力、實(shí)際應(yīng)用能力和綜合拓展能力。在當(dāng)前的大環(huán)境下，將物理實(shí)驗(yàn)家庭化成為物理課程教學(xué)的必然要求。初中物理的大多數(shù)實(shí)驗(yàn)屬于驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)，所以教師應(yīng)積極開展必要的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，以提升學(xué)生的創(chuàng)新能力。針對(duì)物理家庭創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)提出問題引領(lǐng)、學(xué)科整合和項(xiàng)目學(xué)習(xí)的方法，能夠?qū)崿F(xiàn)優(yōu)化思維品質(zhì)、拓展認(rèn)知空間和完成知識(shí)建構(gòu)的目的。

一、問題引領(lǐng)，優(yōu)化思維品質(zhì)

問題引領(lǐng)式教學(xué)法是教師在上課過程中引導(dǎo)學(xué)生思考、推進(jìn)實(shí)驗(yàn)過程的常用方法之一。教師應(yīng)當(dāng)結(jié)合課程進(jìn)度和學(xué)生的實(shí)際操作過程設(shè)計(jì)問題，讓學(xué)生在體驗(yàn)中進(jìn)行自主探究，解決生活中的實(shí)際問題，做到學(xué)以致用，同時(shí)將物理知識(shí)以藝術(shù)化的形式呈現(xiàn)，培養(yǎng)學(xué)生的審美意識(shí)，優(yōu)化學(xué)生的思維品質(zhì)。

（一）體現(xiàn)體驗(yàn)性，引導(dǎo)自主探究

物理家庭創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)應(yīng)該以家庭常用材料為基礎(chǔ)。在實(shí)際的生活中開展物理實(shí)驗(yàn)研究，能夠體會(huì)到物理知識(shí)的內(nèi)涵，獲得生活體驗(yàn)。

例如，學(xué)生通過學(xué)習(xí)“壓強(qiáng)”一課，需要理解壓強(qiáng)是表示壓力作用效果的物理量，當(dāng)壓力一定時(shí)，受力面積越小，壓力的作用效果越明顯。筆者班上的一些學(xué)生雖然能理解F（壓力）=p（壓強(qiáng)）×S（受力面積）中的正比和反比關(guān)系，但對(duì)壓力的實(shí)際作用效果的認(rèn)知仍然比較模糊。對(duì)此，筆者要求學(xué)生回家后找出一根削好的較短的鉛筆，將鉛筆的頭部對(duì)著食指，將鉛筆的尾部對(duì)著拇指，兩根手指同時(shí)用力，感受手指受到的壓力。在下一節(jié)課上，學(xué)生說他們覺得食指的不適感比拇指的不適感強(qiáng)，如果繼續(xù)用力，食指可能會(huì)被戳傷。通過實(shí)驗(yàn)，學(xué)生進(jìn)一步理解了F、p和S之間的關(guān)系。之后，筆者問道：“大家知道在生活中還有哪些類似的實(shí)例嗎？”學(xué)生舉出將螺絲釘進(jìn)墻內(nèi)、用菜刀切菜等實(shí)例。之后，在筆者的引導(dǎo)下，學(xué)生能很快知道，長(zhǎng)輩常說刀鈍了需要磨刀，就是為了減小受力面積，增大壓強(qiáng)。

將課本上的物理實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)化成學(xué)生自主進(jìn)行的家庭物理創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，通過問題引導(dǎo)的方式，給學(xué)生充足的思考空間，可以幫助學(xué)生直觀體會(huì)到物理對(duì)于生活的實(shí)際意義和用途，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行探究。

（二）體現(xiàn)綜合性，強(qiáng)化學(xué)以致用

物理實(shí)驗(yàn)的目的是做到學(xué)以致用。借助生活化的物理實(shí)驗(yàn)，能讓學(xué)生明白物理知識(shí)并不是抽象的，而是在我們身邊真實(shí)存在的［1］。物理知識(shí)的生活化應(yīng)用，不應(yīng)該是單純的知識(shí)講解，而應(yīng)該是綜合性的實(shí)驗(yàn)開展，借助問題進(jìn)行引導(dǎo)，幫助學(xué)生構(gòu)建知識(shí)體系。

比如，在學(xué)完“光的折射”和“浮力”的內(nèi)容后，學(xué)生需要使用家里的一個(gè)空碗，往碗里裝滿水，開展的第一個(gè)實(shí)驗(yàn)是放入一根筷子或者一個(gè)勺子，同時(shí)要注意筷子或勺子只有一部分浸入水中，開展的第二個(gè)實(shí)驗(yàn)是將一張廢紙撕成指甲蓋大小，放入水中，然后記錄觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。在下一節(jié)課上，學(xué)生說在第一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)筷子、勺子出現(xiàn)了彎曲的視覺效果，在第二個(gè)實(shí)驗(yàn)中，紙片一開始漂浮在水面上，靜置一段時(shí)間后開始下沉。之后，學(xué)生通過實(shí)際操作，認(rèn)識(shí)到：浮力的存在使得紙片漂浮于水面，而紙片被水浸透后會(huì)在重力的作用下往下沉；根據(jù)眼睛看到的紙片的位置用勺子打撈是無法打撈到紙片的，這是因?yàn)楣獾恼凵渥饔?，紙片?shí)際的位置和視覺上的位置不同。有的學(xué)生還在課后以上述實(shí)驗(yàn)為契機(jī)，研究了紙片位置偏移的方向，經(jīng)過多次嘗試后順利地打撈出了紙片。

開展綜合性、生活化的物理實(shí)驗(yàn)，既滿足了學(xué)生的探索需求，打開了學(xué)生的新視野，也有助于學(xué)生全面理解知識(shí)，實(shí)際應(yīng)用知識(shí)。

（三）體現(xiàn)藝術(shù)性，培養(yǎng)審美意識(shí)

有的人認(rèn)為物理實(shí)驗(yàn)缺乏美感，實(shí)際上，真實(shí)的物理實(shí)驗(yàn)不僅僅是科學(xué)的，也具有藝術(shù)色彩。所以在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)過程中，教師應(yīng)當(dāng)結(jié)合實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和過程，融入美學(xué)內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生的審美意識(shí)。

例如，通過學(xué)習(xí)“光的色散”一課，學(xué)生知道了夏季雷雨后如果出現(xiàn)太陽(yáng)，有時(shí)會(huì)形成一道七色彩虹，這是因?yàn)榇藭r(shí)天空中還未落下的水滴形成了一個(gè)個(gè)三棱鏡，將太陽(yáng)光進(jìn)行了分解。筆者便問學(xué)生：“在實(shí)驗(yàn)室中，可以借助專業(yè)的三棱鏡分解出七彩的陽(yáng)光。那么在家里應(yīng)該如何開展該實(shí)驗(yàn)？”學(xué)生想到必須要保證天氣晴朗，陽(yáng)光充足，為了呈現(xiàn)分解出的陽(yáng)光，可以使用幕布。筆者繼續(xù)提問：“如果直接使陽(yáng)光通過三棱鏡，呈現(xiàn)出的陽(yáng)光看起來是比較分散的，那么可以怎么處理呢？”有的學(xué)生提出凸透鏡有聚光作用，可以在三棱鏡前面放置凸透鏡。可見，采用問題引領(lǐng)的方式，能夠幫助學(xué)生正確認(rèn)識(shí)三棱鏡和凸透鏡。當(dāng)在實(shí)驗(yàn)中看到最終呈現(xiàn)出的七彩陽(yáng)光時(shí)，學(xué)生會(huì)深刻感受到物理知識(shí)的奧秘，也會(huì)愿意繼續(xù)探索美麗的自然界。

物理具有獨(dú)特的美。當(dāng)學(xué)習(xí)不再只有單純的實(shí)驗(yàn)而變成以美為基調(diào)的探索時(shí)，學(xué)生才能真正感悟物理學(xué)科的意義。

二、學(xué)科整合，拓展認(rèn)知空間

為了合理構(gòu)建學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，教師可以利用不同的教學(xué)資源，采用學(xué)科整合的方式開展物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)，結(jié)合學(xué)生已有的知識(shí)奠定實(shí)驗(yàn)理論基礎(chǔ)，開發(fā)富有特色的物理家庭創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)課程，這樣既體現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)課程的生活性，也能拓展學(xué)生的認(rèn)知空間［2］。

（一）整合實(shí)驗(yàn)素材，尋求整體思路

物理實(shí)驗(yàn)的探索需要借助不同的學(xué)科，整合實(shí)驗(yàn)素材，不斷豐富理論知識(shí)，改變傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)思維，從整體的角度分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、原理，從而達(dá)到訓(xùn)練學(xué)生思維能力的目的。

例如，在水果電池實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生需要將兩個(gè)金屬片（它們要具有不同的化學(xué)性質(zhì)）和水果（呈酸性）相連，以點(diǎn)亮一盞小的LED燈，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分析原理。這個(gè)實(shí)驗(yàn)是物理發(fā)電的過程，也是化學(xué)置換反應(yīng)的過程，所以在原理分析中，不能單純地以物理學(xué)科的電路原理為基礎(chǔ)。如有的學(xué)生指出，兩種不同的金屬中必然有一種化學(xué)性質(zhì)活潑的金屬，該金屬置換出了水果中的氫離子，使得整個(gè)電路產(chǎn)生了正電荷，電荷進(jìn)行了移動(dòng)，從而讓LED燈發(fā)光。

學(xué)科整合后的物理家庭創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，需要尋求整體思路，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析，這也對(duì)學(xué)生提出了較高的實(shí)驗(yàn)思維要求。

（二）整合實(shí)驗(yàn)形式，調(diào)動(dòng)內(nèi)驅(qū)力

物理實(shí)驗(yàn)的形式多種多樣，學(xué)科整合后的物理實(shí)驗(yàn)更具獨(dú)特的色彩。采用多種家庭化的物理實(shí)驗(yàn)形式，可以調(diào)動(dòng)學(xué)生的內(nèi)驅(qū)力，讓學(xué)生進(jìn)行積極探索，拓展學(xué)生的認(rèn)知空間。

例如，在學(xué)生學(xué)完“功和機(jī)械能”和“簡(jiǎn)單機(jī)械”的章節(jié)內(nèi)容后，筆者引入實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：“想必大家小時(shí)候都玩過蹺蹺板，通過這兩章的學(xué)習(xí)，大家應(yīng)該知道蹺蹺板兩側(cè)的臂長(zhǎng)相同，是等臂杠桿。理論上來說，體重相同的兩名學(xué)生同時(shí)坐上蹺蹺板，蹺蹺板應(yīng)該會(huì)一直保持水平的狀態(tài)，但為什么蹺蹺板在實(shí)際中會(huì)不平衡呢？”筆者讓學(xué)生先在課下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，然后在下一節(jié)課上結(jié)合信息技術(shù)學(xué)科的內(nèi)容進(jìn)行模擬仿真，假設(shè)蹺蹺板是不受外力且保持平衡的，將蹺蹺板的每一側(cè)及坐在上面的學(xué)生作為整體（設(shè)左側(cè)為A部分，右側(cè)為B部分），并進(jìn)行動(dòng)畫演示，讓學(xué)生明白：在保持蹺蹺板臂長(zhǎng)相同的條件下，兩名學(xué)生的體重多多少少都會(huì)存在差異，這會(huì)導(dǎo)致力矩不平衡；兩名學(xué)生坐上蹺蹺板的過程會(huì)發(fā)生動(dòng)能和勢(shì)能之間的間接轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致初始動(dòng)能不同；在兩名學(xué)生保持靜止?fàn)顟B(tài)的條件下，蹺蹺板也會(huì)因?yàn)橹亓?shì)能的微差而受力不平衡。

進(jìn)行物理家庭創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)研究，可以整合實(shí)際和虛擬實(shí)驗(yàn)兩種形式，將抽象復(fù)雜的物理受力分析轉(zhuǎn)化為形象生動(dòng)的動(dòng)作講解，帶給學(xué)生豐富的視覺體驗(yàn)。這樣既幫助學(xué)生理解了實(shí)驗(yàn)原理，也激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)仿真知識(shí)的興趣。

（三）整合實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，豐富知識(shí)結(jié)構(gòu)

絕大部分物理實(shí)驗(yàn)是學(xué)生可以直接操作的。而學(xué)科整合后的物理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，不僅豐富了實(shí)驗(yàn)內(nèi)涵，也能在一定程度上幫助學(xué)生掌握生活常識(shí)，豐富知識(shí)結(jié)構(gòu)。

例如，筆者班上的很多學(xué)生都在家里看過父母做面食。他們通常會(huì)先將酵母和水加入面粉中揉搓，將面團(tuán)揉搓片刻后放置于盆中，并蓋上一塊濕布，以防止面團(tuán)表面變干。過了一段時(shí)間后，面團(tuán)會(huì)變得柔軟，也能很輕松地揉搓。對(duì)于這一現(xiàn)象，筆者告訴學(xué)生：“這是因?yàn)榻湍冈诎l(fā)酵過程中產(chǎn)生的二氧化碳，使得面團(tuán)中形成氣孔，并且產(chǎn)生的水也改變了面團(tuán)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。”同時(shí)，筆者鼓勵(lì)學(xué)生回家后試著用上述方法進(jìn)行揉搓面團(tuán)的實(shí)驗(yàn)。

豐富物理家庭創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容，可以讓學(xué)生在學(xué)習(xí)物理知識(shí)的過程中積累其他知識(shí)，也有利于學(xué)生明白做人做事的道理。

三、項(xiàng)目學(xué)習(xí)，完成知識(shí)建構(gòu)

項(xiàng)目學(xué)習(xí)是一種比較新穎的學(xué)習(xí)方式，要求學(xué)生自主學(xué)習(xí)和探究，制作相關(guān)作品，完成知識(shí)的建構(gòu)。在物理家庭創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)中借助項(xiàng)目學(xué)習(xí)理念和方法，可以激發(fā)學(xué)生比拼的欲望，促使學(xué)生快速完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)任務(wù)。

（一）創(chuàng)設(shè)情境，設(shè)計(jì)真實(shí)任務(wù)

基于情境創(chuàng)設(shè)的項(xiàng)目學(xué)習(xí)，需要通過恰當(dāng)?shù)那榫程岢鰡栴}，設(shè)計(jì)真實(shí)任務(wù)，活躍實(shí)驗(yàn)氣氛，激發(fā)學(xué)生求知欲，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。

例如，在教學(xué)完“密度與社會(huì)生活”一課后，筆者為學(xué)生布置了任務(wù)，并創(chuàng)設(shè)了相應(yīng)的情境：“大家知道密度是物體的固有屬性，請(qǐng)你們找出家里的某件飾品，策劃一個(gè)實(shí)驗(yàn)方案，計(jì)算出該飾品的密度。”在開展任務(wù)前，學(xué)生要知道為了求密度，需要測(cè)出飾品的質(zhì)量和體積，再借助ρ=m/V計(jì)算得到飾品的密度。為了測(cè)量飾品的質(zhì)量和體積，有的學(xué)生想到可以借助小區(qū)小賣鋪里的電子秤，運(yùn)用m=G/g計(jì)算得到飾品的質(zhì)量，再將飾品放置于裝有水的標(biāo)有刻度的透明杯子中，觀察水面上升的高度，算出飾品的體積。在得到飾品的密度后，有的學(xué)生還將計(jì)算的結(jié)果和飾品標(biāo)簽上注明的密度進(jìn)行了比較，以辨別飾品的真?zhèn)巍?/p>

通過真實(shí)任務(wù)進(jìn)行物理家庭創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，能夠讓學(xué)生在開展任務(wù)的過程中理解物理知識(shí)，進(jìn)行動(dòng)手操作，激發(fā)創(chuàng)新思維。

（二）立體感知，制作實(shí)用物品

利用物理知識(shí)制作實(shí)用物品，可以形成對(duì)所學(xué)內(nèi)容的立體感知，也體現(xiàn)了物理學(xué)科的實(shí)用性。學(xué)生在生活中實(shí)際運(yùn)用物理知識(shí)，才能真正體會(huì)到物理對(duì)于生活的意義。開展基于物品制作的項(xiàng)目學(xué)習(xí)，能在一定程度上幫助學(xué)生構(gòu)建完整的物理知識(shí)體系。

例如，在學(xué)生學(xué)完“聲現(xiàn)象”一章后，筆者要求學(xué)生制作一部土電話。學(xué)生需要明確土電話的原理，制作土電話時(shí)，在兩個(gè)紙杯底部均用小刀戳一個(gè)很小的洞，將一根較長(zhǎng)的棉線穿過紙杯底部的洞，綁在小木棍上，注意使小木棍的長(zhǎng)度小于紙杯底面的直徑。在使用土電話時(shí)，學(xué)生可以將其中一個(gè)紙杯放在自己家，將另一個(gè)紙杯通過窗戶投給鄰居，關(guān)上窗戶。這時(shí)，學(xué)生雖然無法隔著窗戶清楚聽到鄰居的聲音，但可以通過土電話聽到。有的學(xué)生做完實(shí)驗(yàn)后帶著“用一根棉線便可以傳播聲音，那么可以將上述實(shí)驗(yàn)中的紙杯換成塑料瓶或塑料袋嗎？”的問題進(jìn)行了更深入的探究。

通過物理家庭創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)制作實(shí)用物品，可以提高學(xué)生的動(dòng)手能力，初步培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和創(chuàng)新能力。

（三）動(dòng)態(tài)管理，提升核心素養(yǎng)

物理實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)習(xí)應(yīng)該進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理、階段性的總結(jié)，從而提升學(xué)科核心素養(yǎng)。教師要明確實(shí)踐的必要性，按照學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律開展實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)。

例如，在學(xué)生學(xué)習(xí)“功和機(jī)械能”一章時(shí)，筆者引入實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：“騎自行車是我們的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為自行車的機(jī)械能的過程，要想讓自行車行駛得比較快，就需要我們提供足夠的化學(xué)能，同時(shí)也需要減小自行車所受的阻力。那么自行車所受的阻力有哪些？”學(xué)生認(rèn)為有地面的摩擦力、空氣阻力、自行車內(nèi)部的阻力。學(xué)生在課下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)后，也會(huì)發(fā)現(xiàn)之所以在騎自行車下坡時(shí)感覺自行車的速度越來越快，是因?yàn)槿撕妥孕熊嚨闹亓?shì)能轉(zhuǎn)化為了自行車的動(dòng)能。這樣，筆者既幫助學(xué)生復(fù)習(xí)了重力和摩擦力的知識(shí)，學(xué)習(xí)了動(dòng)能、勢(shì)能和機(jī)械能的知識(shí)，也進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)知識(shí)的動(dòng)態(tài)管理，提升了學(xué)生的物理核心素養(yǎng)。

項(xiàng)目學(xué)習(xí)中的動(dòng)態(tài)管理意義在于幫助學(xué)生理解知識(shí)內(nèi)涵，建立科學(xué)的知識(shí)體系，并且拓展教學(xué)時(shí)空。

結(jié)語

綜上所述，開展基于STEAM理念的物理家庭創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)物理知識(shí)的生活化應(yīng)用，能夠激發(fā)學(xué)生的主觀能動(dòng)性和學(xué)習(xí)興趣，以學(xué)生為中心，以家庭材料為基礎(chǔ)，開發(fā)新穎的實(shí)驗(yàn)課程，為每個(gè)學(xué)生提供充足的實(shí)踐機(jī)會(huì)，為他們思維的創(chuàng)新發(fā)展奠定基礎(chǔ)，同時(shí)也能提升物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

【參考文獻(xiàn)】

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［2］郝坤. STEAM教育理念融入初中物理教學(xué)的實(shí)踐［J］.新課程教學(xué)（電子版），2021（14）：46-47.